Stilstaande evolutie, de nulhypothese

Evolutie van leven veronderstelt een ontwikkeling van organismen. De evolutietheorie van Darwin stelt dat soorten ontstaan door natuurlijke selectie. Het is moeilijk te testen of er bij afwezigheid van selectie toch evolutie plaatsvindt. Bijna elke omgeving of niche betekent competitie voor schaarse voedselbronnen en daaruit volgt een survival of the fittest. Nu heeft een groep onderzoekers organismen gevonden die al meer dan 2 miljard jaar niet geëvolueerd zijn. Het gaat hierbij om zwavel bacteriën.

Zij bestudeerden met speciale instrumenten zoals Raman spectrografie en confocale laser scan microscopie fossiele gesteenten van de zeebodem en vonden daarin fossiele filamenten van zwavel bacteriën. Wanneer ze deze vergeleken met de huidige zwavel bacteriën die op andere locaties leven zagen ze duidelijke overeenkomsten in de vorm en lengte van de filamenten. Zie de onderstaande figuur.

Hedendaagse en precambriaanse filamenteuze zwavelcyclerende micro-organismen. A en E Hedendaagse microben 7 – 9 micrometer in diameter vergeleken met fossielen van het 2,3 miljard jaar oude Turee Creek gesteente (B en F) en het 1,8 miljard jaar oude Duree Creek gesteente (C,D,G en H)

 

De gesteenten, die in het Australische Turee Creek en Duck Creek gevonden werden, dateren van resp. ca. 2,3 miljard jaar en 1,8 miljard jaar geleden. Deze perioden volgen op de Great Oxidation Event (GEO) en de ontwikkeling van deze zwavel bacteriën wordt gezien als een antwoord op de langzame toename van zuurstof in de atmosfeer. Daardoor konden deze bacteriën sulfaat (SO4^2-) en nitraat (NO^3-) metaboliseren, stoffen die alleen na oxidatie van zwavel en stikstof beschikbaar zijn. De tegenwoordige zwavel bacteriën, die zoveel op hun fossiele voorouders lijken, bevinden zich in de bodem in een relatief zuurstofloze omgeving, maar profiteren van het sulfaat en nitraat uit de iets hoger gelegen diepten. Zij nemen deel aan de zwavelcyclus waarin bacteriën het sulfaat reduceren tot waterstofsulfide, dat opnieuw geoxideerd kan worden tot het element zwavel met behulp van zuurstof uit de bovenliggende lagen. Het zwavel kan dan weer geoxideerd worden tot sulfaat door andere bacteriën.

De betreffende zwavel bacteriën worden gekenmerkt door hypobradytelic lifetyles ofwel, een leefstijl die niet veranderd is gedurende meer dan 2 miljard jaar. Deze onveranderde leefstijl vindt men ook bij de cyanobacteriën, die zeer competitief waren door de productie van het toenmalige voor veel organismen giftige zuurstof. Voor de zwavel bacteriën geldt dat er, sinds het ontstaan van de eerste microbiële groepen, weinig tot geen stimulering was tot aanpassing aan veranderende condities. Het zijn bewoners van relatief koude, rustige, zuurstofvrije sedimenten, waar geen dagelijks licht doordringt. Deze condities zijn hetzelfde sinds de vroege geschiedenis van de Aarde. Een omgeving die dus niet veranderde.

Het is daarom verleidelijk deze zwavel bacterie gemeenschappen als bewijs te zien van de “negatieve” nulhypothese van Darwiniaanse evolutie: als er geen verandering plaatsvindt in de biofysische omgeving van een goed aangepast ecosysteem, dan zou er geen soortvorming, geen evolutie van de vorm, de functie of de metabolische eisen van biotische componenten zijn. Maar er moet rekening gehouden worden met het feit dat de morfologie van de bacteriën uit convergente evolutie voortkomt en dat het metabolisme en de genomen van de precambriaanse bacteriën wellicht anders was. Het DNA kan helaas niet vergeleken worden. Er zijn bovendien relatief weinig fossielen gevonden, waardoor er ‘missing links’ lijken te bestaan. Mochten er meer van dergelijke fossielen gevonden worden die dit gat wat kunnen dichten dan zal het mogelijk zijn de nulhypothese voor Darwiniaanse evolutie te bevestigen.

Eerdere hier verschenen berichten behandelen zwavel bacteriën die elektriciteit in de zeebodem genereren en geven wat extra informatie over hun metabolisme en leefwijze (1, 2) .

 

Uit:  J. W. Schopf, A. B. Kudryavtsev, M. R. Walter, M. J. Van Kranendonk, K. H. Williforde, R. Kozdone, J. W. Valleye, V. A. Gallardol, C. Espinozal, D. T. Flannery; Sulfur-cycling fossil bacteria from the 1.8-Ga Duck Creek Formation provide promising evidence of evolution’s null hypothesis; PNAS 5 january 2015 J. William Schopf, doi: 10.1073/pnas.1419241112

Convergentie op grote tijdschaal

In Nature staat een mooi artikel waarin men de moleculaire basis van convergente evolutie onderzoekt. Convergente evolutie doet zich voor wanneer twee organismen onafhankelijk van elkaar eenzelfde eigenschap ontwikkelen. Onafhankelijk in de zin dat hun voorouders deze eigenschap niet bezaten.

Er zijn talloze voorbeelden van convergente evolutie zoals vleugels bij vogels, vleermuizen en insecten, antivrieseiwitten bij vissen in de noord- en de zuidpool, gestroomlijnde haaien en dolfijnen, en ook het oog is vele keren opnieuw uitgevonden. Zo is het al langer duidelijk dat zowel vleermuizen als dolfijnen onafhankelijk echolocatie ontwikkeld hebben. Dit artikel laat zien dat deze convergentie zich ook voordoet op niveau van de genen. Dat wil zeggen dat een relatief kleine hoeveelheid genen onafhankelijk op dezelfde wijze veranderd was. Het is dus niet alleen het fenotype dat door convergente evolutie dezelfde eigenschappen krijgt, maar ook het genotype dat vrijwel dezelfde veranderingen ondergaat in zeer uiteenlopende organismen. Het gaat daarbij om genen die vooral betrokken zijn bij het gehoor en de structuur van het binnenoor. (Zie ook het bericht in de Volkskrant). Volgens de auteurs van het Nature-artikel is de door hen gevonden moleculaire convergentie het tipje van een ijsberg. En er zal blijken dat vanwege het feit dat sommige genen door convergente evolutie zoveel op elkaar lijken in organismen die fylogenetisch ver van elkaar staan dat deze zelfde classificatie bemoeilijkt zal kan gaan worden. De fylogenetische boom is immers gebaseerd op de gelijkenis en de verschillen tussen genen.

Convergentie van echolocatie

 Een ander voorbeeld van convergente evolutie dat gisteren gepubliceerd werd (maar niet de moleculaire basis behandelt) is dat van de staart van mosasaurussen die praktisch dezelfde structuur had als die van de haaien. Haaien bestaan al zo’n 420 miljoen jaar. In de mosasaurus, die 90 – 66 miljoen jaar geleden leefde, en vanaf het land het water veroverde, zie je dezelfde staart terug maar dan omgekeerd. Men leidt daaruit af dat de mesosaurus gezwommen moet hebben als een haai. Vissen (waaronder ook haaien) hebben een van links naar rechts bewegende staart terwijl waterzoogdieren een op en neer bewegende staart hebben. Dit zou te maken hebben met het feit dat (kraak)beenvissen van wormen afstammen die met hun lichaam kronkelden om vooruit te komen. De mosasaurus, een gigantische hagedis, had blijkbaar ook nog steeds een zigzaggende beweging die terug te vinden is in hoe hij zijn staart gebruikt moet hebben. Pas met het veroveren van het water door de zoogdieren verscheen voor het eerst de horizontale staart.

Staart van de mosasaurus

Het volgende filmpje is erg de moeite waard. Er is de mosasaurus te zien in Walking with the Dinosaurs met Nigel Marven. Een prachtig beest, maar voor wat betreft de vorm van zijn staart eigenlijk niet meer geldig. Klik op onderstaande link en het filmpje zal vanzelf op 26 minuten en 15 seconden starten.

[ http://youtu.be/pzYM_-1J85Y?t=26m15s ]

 Uit: Nature, Volkskrant, Nature Communications

Vlindermimicry

Eergisteren werd in Science een studie gepubliceerd waar 10 jaar onderzoek aan vooraf gegaan is. Dit onderzoek handelt over de mimicry in vleugelpatronen en kleuren tussen verschillende soorten vlinders. Het blijkt dat voor alle rode vlekken en patronen in de vleugels van de verschillende soorten uit het geslacht Heliconius hetzelfde gen optix verantwoordelijk is. Men vraagt zich nu af in hoeverre er sprake is van convergentie of van homologie.

In de natuur zijn veel strategieën geëvolueerd waarbij dieren of planten waarschuwingssignalen produceren die roofdieren afschrikken.

Verschillende soorten van het geslacht Heliconius

Sommige vlinders zijn giftig of hebben een vieze smaak en roofdieren bezitten het instinct of leren deze vlinders met rust te laten. Ze leren dat deze kleurencombinatie en vorm vermeden moet worden. De overeenkomsten in kleuren en patronen van de vleugels van verschillende soorten Heliconius komen voort uit mimicry. Soorten die niet giftig zijn imiteerden de patronen en kleuren van de giftige vlinders en beschermden zichzelf daarmee tegen dezelfde roofdieren zonder het gif te hoeven produceren. Dit soort mimicry wordt wel Batesiaanse mimicry genoemd. Tussen de soorten van het geslacht Heliconius bestaat daarentegen de mimicry van Müller. In dit geval zijn beide soorten giftig en ontwikkelen dezelfde kleuren en patronen. Sommige soorten die ver verwant zijn ontwikkelden toch hetzelfde vleugelpatroon. Men ging er dus van uit dat er sprake was van convergente evolutie.

(Van convergente evolutie is sprake wanneer bepaalde eigenschappen of lichaamsstructuren in ver verwante soorten onafhankelijk evolueren. Een klassiek voorbeeld van convergente evolutie zijn de vleugels van vleermuizen en van vogels die beiden onafhankelijk geëvolueerd zijn vanuit een gemeenschappelijke voorouder zonder vleugels. Homologe structuren of genen komen voort uit een

gemeenschappelijke voorouder. De longen zijn bijvoorbeeld homoloog aan de zwemblaas van vissen. Onze armen en handen zijn homoloog aan de vleugels van vleermuizen.)

De onderzoekers hebben nu ontdekt dat er één gen, optix, verantwoordelijk is voor de imitatie van de kleuren en patronen. Dit gen speelt ook een rol in de ontwikkeling van het oog in sommige organismen. Het is verbazend en een belangrijk resultaat dat een enkel gen verantwoordelijk is voor alle mogelijke patronen van de kleur rood in vleugels van deze vlinders. Aangezien het om een enkel gen gaat wordt in dit geval het verschil tussen convergentie en homologie minder duidelijk, want als alle vlinders van het geslacht Heliconius hetzelfde gen bezitten voor deze eigenschap dan is het misschien wel een geval van homologie.

Bij convergentie lijken de structuren of genen op elkaar maar zijn fundamenteel verschillend en hebben geen gemeenschappelijke oorsprong. Bij homologe kenmerken lijken de structuren of genen wel of niet op elkaar maar hebben wel een gemeenschappelijke oorsprong.

Uit: Physorg.com